什么是自適應控制

1、自適應控制所討論的對象，一般是指對象的結構已知，僅僅是參數(shù)未知，而且采用的控制方法仍是基于數(shù)學模型的方法。

2、但實踐中我們還會遇到結構和參數(shù)都未知的對象，比如一些運行機理特別復雜，目前尚未被人們充分理解的對象，不可能建立有效的數(shù)學模型，因而無法沿用基于數(shù)學模型的方法解決其控制問題，這時需要借助人工智能學科，也就是智能控制。

3、自適應控制與常規(guī)的控制與最優(yōu)控制一樣，是一種基于數(shù)學模型的控制方法。

4、自適應控制所依據(jù)的關于模型的和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型愈來愈準確。

5、常規(guī)的反饋控制具有一定的魯棒性，但是由于控制器參數(shù)是固定的，當不確定性很大時，系統(tǒng)的性能會大幅下降，甚至失穩(wěn)。

自適應控制的原理框圖

自適應控制的分類

自從50年代末由美國麻省理工學院提出第一個自適應控制系統(tǒng)以來，先后出現(xiàn)過許多不同形式的自適應控制系統(tǒng)。比較成熟的自適應控制系統(tǒng)有下述幾大類。

（1） 可變增益自適應控制系統(tǒng)

這類自適應控制系統(tǒng)結構簡單，響應迅速，在許多方面都有應用。其結構如圖1所示，調(diào)節(jié)器按被控過程的參數(shù)的變化規(guī)律進行設計，也就是當被控對象（或控制過程）的參數(shù)因工作狀態(tài)或環(huán)境情況的變化而變化時，通過能夠測量到的某些變量，經(jīng)過計算而按規(guī)定的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益，以使系統(tǒng)保持較好的運行性能。另外在某些具有非線性校正裝置和變結構系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)器本身對系統(tǒng)參數(shù)變化不靈敏。采用此種自適應控制方案往往能去的較滿意的效果。

（2） 模型參考自適應控制系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System，簡稱MRAS）

模型參考自適應控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應機構等部分組成，如圖2所示

設計這類自適應控制系統(tǒng)的核心問題是如何綜合自適應調(diào)整律，即自適應機構所應遵循的算法。關于自適應調(diào)整律的設計目前存在兩類不同的方法。其中一種稱為局部參數(shù)最優(yōu)化地方法，即利用梯度或其他參數(shù)優(yōu)化的第推算法，求得一組控制器的參數(shù)，使得某個預定的性能指標，如J=∫e2（t）dt，達到最小。最早的MIT自適應律就是利用這種方法求得的。這種方法的缺點是不能保證參數(shù)調(diào)整過程中，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。自適應律的另一種設計方法是基于穩(wěn)定性理論的方法，其基本思想是保證控制其參數(shù)自適應調(diào)節(jié)過程是穩(wěn)定的，然后再盡量是這個過程收斂快一些。由于自適應控制系統(tǒng)是本質(zhì)非線性的，因此這種自適應律的設計自然要采用適用于非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定理論。Lyapunov穩(wěn)定性理論和Popov的超穩(wěn)定性理論都是設計自適應律的有效工具。由于保證系統(tǒng)穩(wěn)定是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本要求，所以基于穩(wěn)定性理論的設計方法引起了更為廣泛的關注。

（3） 自校正調(diào)節(jié)器（Self-tuning Regulator，簡稱STR）

這類自適應控制系統(tǒng)的一個特點是具有一個被控對象數(shù)學模型的在線辨識環(huán)節(jié)，具體地說是加入了一個對象參數(shù)的遞推估計器。由于估計得是對象參數(shù)，而調(diào)節(jié)器參數(shù)還要求解一個設計問題方能得出，所以這種自適應控制系統(tǒng)可以用圖3的結構描述。這種自適應調(diào)節(jié)器也可設想成為內(nèi)環(huán)和外環(huán)來年各個環(huán)路組成，內(nèi)環(huán)包括被控對象和一個普通的線性反饋調(diào)節(jié)器，這個調(diào)節(jié)器的參數(shù)由外環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)則由一個遞推參數(shù)估計器和一個設計機構組成。這種系統(tǒng)的過程建模和控制的設計都是自動進行，每個采樣周期都要更新一次。這種結構的自適應控制器稱為自校正調(diào)節(jié)器，采用這個名稱為的是強調(diào)調(diào)節(jié)器能自動校正自己的參數(shù)，已得到希望的閉環(huán)性能。

（4） 自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)

自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)是一種自動搜索和保持系統(tǒng)輸出位于極值狀態(tài)的控制系統(tǒng)。先前這種系統(tǒng)稱為極值控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，受控系統(tǒng)的輸入—輸出特性至少有一個代表最優(yōu)運行狀態(tài)的極值點或其他形式的非線性特性。因此，受控對象是非線性的。如果極值特性在運行過程中不發(fā)生變化，則可通過分析和試驗找到一個能使系統(tǒng)工作在極值位置的固定控制量，這時由常規(guī)控制便可保持最優(yōu)運行狀態(tài)。不過，許多工業(yè)對象的極值特性在運行中都或多或少會發(fā)生漂移，因而無法采用常規(guī)控制策賂。對于這類受控系統(tǒng)，采用自尋最優(yōu)控制策略便可自動保持極值運行狀態(tài)，使運行狀態(tài)的梯度為零。

此外，自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)還具有易于理解和實現(xiàn)方便等優(yōu)點，所以它在工業(yè)中也有廣泛的應用。

（5） 學習控制系統(tǒng)

這是一類按行為科學進行處理的控制系統(tǒng)，它比上述各類自適應控制系統(tǒng)都更加復雜。這種系統(tǒng)的先驗信息相當缺乏，為了保證有效的工作，它一般應具有識別、判斷、積累經(jīng)驗和學習的功能。由IEEE的“自適應學習和模式識別標準與定義小組委員會”提出的定義如下：

定義（學習系統(tǒng)） 一個系統(tǒng)，如果能對一個過程或其環(huán)境的未知特征有關的信息進行學習，并將所得的經(jīng)驗用于未來的估計、分類、決策或控制，以改善系統(tǒng)的性能，則稱此系統(tǒng)為學習系統(tǒng)。若一個學習系統(tǒng)以其學得的信息用來控制一個具有未知特征的過程，則稱為學習控制系統(tǒng)。根據(jù)學習時是否需要接收外部信息，學習過程可分為兩類：監(jiān)督學習和無監(jiān)督學習。在實際應用中，常將兩種學習方式組合使用。首先通過監(jiān)督學習獲取盡可能多的先驗信息，然后改為無監(jiān)督學習，以使收到最好的學習效果。學習系統(tǒng)的形式有模糊自適應控制和專家或智能自適應控制。

研究學習過程的數(shù)學方法很多，在學習控制系統(tǒng)中采用的方法有：采用模式分類器的可訓練系統(tǒng)、增量學習系統(tǒng)、Bayes估計、隨機逼近、自動機模型和語言學方法等。學習系統(tǒng)理論的應用不限于控制工程，在計算機科學、經(jīng)濟和社會等領域中也有應用。

其他自適應控制系統(tǒng)還有混合自適應控制、非線性控制對象自適應控制、模糊自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制等等。

自適應控制的主要類型

自適應系統(tǒng)有兩類，一類是模型參考自是要控制系統(tǒng)（model reference adaptive system，MRAS）；另一類是自校正控制系統(tǒng)（self-tuning control system），這類自適應系統(tǒng)的一個主要特點是在線辨識對象數(shù)學模型的參數(shù)，進而修改控制器的參數(shù)。

1、模型參考自適應控制系統(tǒng)

這類自適應控制系統(tǒng)設計方法的理論基礎為局部參數(shù)優(yōu)化方法、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和波波夫（Popov）超穩(wěn)定性理論。

2、自校正控制系統(tǒng)

自適應控制系統(tǒng)的應用

1、戰(zhàn)術導彈的自校正控制

戰(zhàn)術導彈在整個飛行過程中，由于飛行速度和高度的變化，使彈體參數(shù)劇烈變化，嚴重地影響了控制性能。當用經(jīng)典控制理論設計自動駕駛儀時，一般采用舵回路、阻尼回路和加速度回路來減弱參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，但用這種方法不能完全消除參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。為了進一步提高導彈的控制性能，有必要采用自適應控制。

自校正控制是自適應控制的一種，它適用于結構已知，但參數(shù)未知而恒定或參數(shù)緩慢變化的系統(tǒng)。采用自校正控制需要辨識被控系統(tǒng)的參數(shù)，并自動校正控制作用，達到預期的控制效果。用自校正控制技術設計自動駕駛儀，能夠使被控系統(tǒng)適應參數(shù)變化，保持較好的性能。

2、 空間環(huán)境模擬器自適應控制

隨著航天技術的發(fā)展，對航天器零部件的可靠性要求越來越高。為了確保航天器在太空可靠遠行，航天器零部件必須在地面進行真空冷熱浸試驗、真空交變試驗等各種空間環(huán)境模擬試驗?？臻g環(huán)境模擬器就是提供這種條件的一套試驗設備。

由于控制過程的復雜性和不能對被控對象進行事先測定以及在控制過程中希望不要人工干預等，用PID調(diào)節(jié)器，每做一次環(huán)境模擬試驗，都要調(diào)試Kp、Ki、Kd等參數(shù)，非常麻煩，且保證不了過渡過程中超調(diào)調(diào)小于2℃的要求。用一般最佳控制，其狀態(tài)方程的參數(shù)無法確定。用自校正調(diào)節(jié)器，需要知道滯后步數(shù)Ko和一次性測試βo ，而空間環(huán)境模擬器無法事先知道Ko，又無法確定βo，因為穩(wěn)態(tài)和初治狀態(tài)的βo差別很大、自校正調(diào)節(jié)器不適合于過渡過程控制，特別是本系統(tǒng)對過渡過程超調(diào)的要求很高。經(jīng)多次實驗均告失敗。自校正控制器也因需要試湊控制權而遇到困難?？傊?，采用前述的各種方法，都無法衡足實驗任務的要求。全系數(shù)自適應控制方法的提出，就是為了解決這個問題。

在航海方面瑞典Astrom等人首先在大型油輪上采用了自適應控制的自動駕駛儀，取代了原有的PID調(diào)節(jié)器的自動駕駛儀。實驗證明，自適應自動駕駛儀能夠在變化復雜的隨機環(huán)境（例如，在海浪、潮流、陣風的干擾以及在不同載荷不同的航速）下，都能使油輪按照預定的航跡穩(wěn)定而可靠地航行。并取得了良好的經(jīng)濟效益。

在化工過程方面，在鋼鐵和冶金工業(yè)方面許多工藝過程為非線性、非平穩(wěn)的復雜過程，原材料成份的改變，催化刑的老化和設備的磨損等，都可能使工藝參數(shù)發(fā)生復雜而復雜較大的變化，對于這類生產(chǎn)過程，采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器往往不能很好地適應工藝參數(shù)的變化而導致產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定。當采用自適應控制后，由于調(diào)節(jié)器的參致可以隨工藝參數(shù)的變化而按某種最優(yōu)性能自動整定，從而保證了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量不隨工藝參數(shù)的變化而下降，于是在十多年前即有人提出采用自適應控制來代替常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器。目前在板軋機的厚厚度，帶鋼熱軋機的張力，水泥的配料造紙等方面都有不同程度的自適應控制作用，并取得了較好的效果。

在電力系統(tǒng)方面六十年代即出現(xiàn)對鍋護燃燒效率的優(yōu)比控制，且在熱交換器上采用自適應控制技術使控制參數(shù)最優(yōu)地適應發(fā)電機和各種負荷條件。到了七十年代自適應控制技術在火力發(fā)電站和水力發(fā)電站上的應用也獲得了成功，并在原子能電站上進行了試驗所究。

在電力拖動力面，已經(jīng)用自適應控制對電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置和功率進行有效的的控制。目前，有人研究對交流感應電動機的轉(zhuǎn)速采用自適應控制以達到當系統(tǒng)在運行過程中其慣性、負載力矩、時間常數(shù)和系統(tǒng)增益在大范同內(nèi)變化時，系統(tǒng)的動態(tài)相應應仍可保持在期望值附近的目的。在非化工業(yè)領域中，如社會、經(jīng)濟、管理、生物、醫(yī)學等等方面包有了一些探索。近來，宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)的隨機最優(yōu)化問題也引起了人們的注意。

我們完全可以預測，隨著控制理論和電子計算機技術的發(fā)展，自適應控制的應用將會愈來愈廣泛，所獲得的效益會愈來愈大。